宋小康, 冉玲苓, 杨九如， 魏翔宇, 李 唱

(黑龙江大学 电子工程学院, 哈尔滨 150080)

0 引 言

光纤传感已经被应用到了环境监测、人工智能、生物医学和健康检测等各个领域[1-2]。其中，光纤应变温度传感器一直是人们关注的焦点之一。近年来，由不同光纤结构制成的光纤应变温度传感器逐渐受到人们关注，如光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating, FBG)[3-4]、马赫-增德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)[5-6]、长周期光纤光栅[7]、法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometer, FPI)[8-9]。在这些传感器类型中，光纤F-P由于其结构紧凑且微小、灵敏度高、交叉灵敏度低等优点，受到科研工作者们的广泛关注。典型的FPI结构由两个高反射模及模间的光干涉构成。一般来说，光纤F-P微腔传感器原理大致分为两种：一是通过改变腔内有效折射率实现对应变和温度的测量，二是通过改变腔长来实现测量。

理论分析表明，微腔光纤F-P传感器的应变灵敏度取决于微腔的形状和尺寸[10]。2009年，李坤等通过使用氢氟酸腐蚀多模光纤制作出F-P腔体，得到应变灵敏度为0.95 pm/με[11]。2016年，Wang等制作了椭圆形、球形以及长方形三种不同形状的微气泡，研究了气泡形状和微腔长度对应变灵敏度的影响，得到椭圆形气泡微腔应变传感器的灵敏度是3 pm/με，长方形气泡微腔应变传感器的应变灵敏度是43 pm/με[12]。2012年，Favero等将具有较大空隙的光子晶体光纤(PCF)和SMF熔接，形成球形和椭球形微腔，实验表明当腔体尺寸为10 μm×60 μm时，应变灵敏度达到10.3 pm/με[10]。2010年，张兴等使用157 nm激光对SMF进行微加工，在光纤内部形成一个自封闭矩形微腔，实验表明该传感器的应变灵敏度为5.2 pm/με[13]。2020年，王解等使用毛细管与SMF熔接形成了三个F-P微腔，得到应变灵敏度为1.5 pm/με[14]。上述几种方法有的虽然制作方法简单，但灵敏度低，通常为几个皮米每微应变，有的虽然提高了灵敏度但是操作复杂且成本较高，而且无法同时测量温度，不利于推广。因此，提出一种灵敏度高、结构简单、可实现应变与温度同时测量的光纤传感器在环境监测、人工智能和健康检测中具有重要意义[15]。

本文提出了一种基于F-P微腔的高灵敏度光纤应变和温度传感器，该传感器是通过将HCF与SMF熔接，在精确长度处切割熔接后的HCF，然后切割拉锥后的SMF，将切割后的SMF插入HCF内形成的。它的干涉腔是由HCF和插入HCF的锥区端面形成的两个平行高反射面构成，由于制作方法的优点，应变波长灵敏度为Y=7.63×10-5X+0.006 69，拟合度为99.9%，当应变为1 με时，灵敏度为6.77 pm/με，当应变为88 με时，灵敏度增加到13.4 pm/με，当应变为500 με时，灵敏度增加到44.84 pm/με，应变越大灵敏度提高越大。在温度测试中，温度波长灵敏度为152 pm/℃，强度灵敏度为0.029 4 dB/℃。通过双参数解调实现应变与温度同时测量。

1 结构制作与原理

该传感器的制作过程如图1所示，实验所用的是芯径为8.3 μm、外径为125 μm的普通单模光纤SMF(Corning, SMF-28)，内径为80 μm、外径为135 μm的空芯光纤HCF(Polymicro Technologies, TSP080135)。如图1(a)所示，使用商用熔接机(KL-300T)设置到特定的熔接程序，具体参数如表1所示，将普通SMF与HCF熔接，通过调节商用熔接机的马达，使普通SMF与HCF 的中心对齐，降低高阶模式的激发，从而实现反射光谱的整洁性。由于HCF在高温放电的过程中很容易塌陷，所以要控制好放电功率，保证熔接完成后损耗最小。然后将熔接好的SMF-HCF放置在切割刀上，将另一端尾纤固定在精度为10 μm的微位移平台上，在距熔接点300 μm处切割HCF，得到具有精确长度的HCF，如图1(b)所示。随后将SMF的两侧分别固定在由两个步进电机控制的固定装置上，使用电弧放电加热SMF的中心，由步进电机进行同步的牵引，通过设置放电功率和放电时间来控制锥区直径，如图1(c)所示。在显微镜下切割锥区的精确位置，得到一个端面直径与HCF内径相仿的锥状结构，如图1(d)所示。实验过程中发现切割后的锥平面倾斜会影响光的反射效果，所以要严格控制切面的水平。最后将锥区在显微镜下对准HCF的中心并插入，直至其中一部分保持在腔内，得到一个F-P空气微腔，结构图如图1(e)所示。使用紫外(UV)胶对堵塞位置填涂实现了对F-P微腔的密封，在涂UV胶的过程中，由于UV胶的流动性较大，应快速使用UV灯照射使其固化，以免UV胶进入F-P腔干扰光的反射。

图1 微腔结构制作图Fig.1 Diagram of the fabrication about micro-cavity

表1 熔接参数值Table 1 Splicing parameter values

FPI的基本原理是多光束干涉，入射光从SMF进入F-P腔，由于表面1两端(SMF/HCF)和表面2两端(HCF/SMF)的折射率不同，产生折射率跳变，在两个表面多次反射后发生干涉。该结构的光束传播可看作正入射，所以表面1和表面2的反射率可由式(1)得到：

(1)

式中：R为反射率的大小；n1和n2分别为反射面两侧介质的有效折射率。

根据F-P干涉原理，得到输出的干涉光谱强度为[16]：

(2)

由于SMF和空气的折射率分别为1.455和1.000，根据式(1)可求得R1=R2≈0.04。根据FPI传感器的干涉光谱强度公式对传感腔的干涉光谱进行模拟计算，得到干涉光谱与腔长变化之间的关系如图2所示。可以看出，随着腔长的增加，干涉光谱的波长发生有规律红移。

图2 干涉腔长与波长的关系Fig.2 Relation between interference cavity length and wavelength

假设F-P微腔的长度为L，那么反射光谱中一个波峰对应的波长λ可以表示为[17]：

(3)

在外界环境参量改变的情况下，微腔长度L变为L+ΔL，同一个波峰相对应的波长λ+Δλ可表示为：

(4)

由式(3)和式(4)可得：

(5)

传感器实际受到的轴向应变与腔长变化成正比为:

(6)

由式(5)和式(6)可以看出，当应变增大时，腔长增大，反射波长发生红移。

对于温度测量，由式(3)对温度求导，可得：

(7)

由于腔内空气折射率约为1，且热光系数很小，所以dn/dT≈0，因此，式(7)可简化为：

(8)

式中dL/dT为腔长与温度的关系。

当温度变化时，由于UV胶的热膨胀系数为225×10-6℃，典型折射率为1.524，所以腔长变化的主要原因是UV胶的收缩与膨胀带动腔长发生变化。

2 实验结果与讨论

实验装置如图3所示。该装置使用的光源为宽带光源(BBS)，波长范围是1 525～1 610 nm，将其连接在光纤环形器的通道1，光学信号沿光纤传输并到达所提出的FPI传感结构，该结构通过光学粘合剂(UV胶)固定在精度为0.1 μm的轴向微位移平台(Newport Modle ESP-300)上，由于FPI结构的反射，一部分光学信号被反射回光纤环形器中，通过通道3进入光谱仪(OSA, Agilent 86142B)中显示光谱。实验中设置初始平台距离为56 mm，其中一个平台固定不动，通过按键控制另外一个平台向外移动，每移动5 μm(即应变量变化88 με)记录一次干涉光谱。

图3 应变实验装置图Fig.3 Experimental setup for measuring strain

FPI结构在不同应变下的干涉光谱如图4(a)所示。可以看出，随着应变的增加，光谱发生规律的红移。为了研究波长和强度变化与应变的关系，选择反射光谱中一个Dip点进行记录并分析，在0～1 144 με测量范围内进行拟合，得到拟合结果如图4(b)所示。可以看出，由于使用UV胶封装，该结构的波长漂移与应变呈二次相关，波长灵敏度为Y=7.63×10-5X+0.006 69，拟合度为99.9%，当应变为1 με时，灵敏度为6.77 pm/με，当应变为88 με时，灵敏度增加到13.4 pm/με，当应变为500 με时，灵敏度增加到44.84 pm/με，此时已经超过先前报道的应变传感器的灵敏度，如表2所示。随着应变的继续增加，灵敏度也会继续增加。由于光源波动和环境温度的干扰，应变光谱强度存在±0.25 dB的上下波动。

图4 (a)不同应变下的干涉光谱；(b)不同应变下Dip波长变化量和强度变化量Fig.4 (a) Reflection spectrum against different strain; (b) Dip wavelength and intensity versus different strain

表2 不同形状F-P腔应变传感器对比Table 2 Comparison of strain sensors with different shapes of F-P cavity

为了研究该传感器对温度的响应，将结构固定在加热板上进行温度测试，实验装置图如图5所示。从24 ℃加热到38 ℃，每隔2 ℃为一个采样点，在每一个采样点处，待光谱稳定后用OSA记录。

图5 温度实验装置图Fig.5 Experimental setup for measuring temperature

该传感器对不同温度的响应结果如图6所示。由于所制备的F-P微腔为空气腔，其折射率约等于1，热光系数极其微小，所以当温度变化时腔长改变的主要原因是UV胶的膨胀与收缩带动腔长改变。从图中可以看出，随着温度的增加，Dip点的波长从1 537.58 nm移动到1 539.71 nm，波长灵敏度为152 pm/℃，相应的线性度为99.7%。另外，随着温度的增加，Dip点的强度从-50.38变化到-49.97 dB，线性度为99.2%，相应的强度灵敏度为0.029 4 dB/με。

图6 (a)不同温度下的干涉光谱；(b)不同温度下Dip波长变化量和强度变化量Fig.6 (a) Reflection spectrum against different temperature; (b) Dip wavelength and intensity versus different temperature

为了实现双参数测量，根据上述实验结果，利用双参数解调的方法实现应变和温度二者的同时测量，双参量灵敏度系数反转矩阵可以表示为:

(9)

式中：ΔT为温度变化量；Δε为应变变化量；Δλ为波长漂移量；ΔI为强度变化量。Kλε和KIε为应变变化引起的Dip点波长变化灵敏度和强度变化灵敏度；KλT和KIT为温度变化引起的Dip点波长变化灵敏度和强度变化灵敏度；D=KλεKIT-KλTKIε。

需要注意的是，KλT=152 pm/℃，KIT=0.029 4 dB/℃，Kλε=7.63×10-5X+0.006 69，KIε=0，将上述参量代入式(9)可得：

(10)

根据式(10)可知，只需要测量出光纤传感器干涉谱中Dip点的波长和强度变化量,便可求出环境中温度和应变的变化量。

3 结 论

介绍了一种基于F-P微腔的高灵敏度应变温度传感器。实验结果表明，该传感器应变波长灵敏度为Y=7.63×10-5X+0.006 69，拟合度为99.9%。当应变为1 με时，灵敏度为6.77 pm/με；当应变为88 με时，灵敏度增加到13.4 pm/με；当应变为500 με时，灵敏度增加到44.84 pm/με，应变越大灵敏度提高越大。在温度测试中，得到温度波长灵敏度为152 pm/℃，强度灵敏度为0.029 4 dB/με。本研究引入了双参数解调的方法，实现了应变与温度的同时测量。该传感器具有成本低、线性度高、结构紧凑和灵敏度高等优点，将在未来物理、生物和化学等领域有很好的应用前景。